background image

 

Tomasz Kowalski 

Wykłady z matematyki dla studentów kierunków ekonomicznych  

 

Wykład 6 

 

CIĄGI I SUMY 

 
1. Ciągi liczbowe 
 

  Ciągiem nieskończonym ( krótko: ciągiem ) nazywamy funkcję  f,  która odwzorowuje zbiór liczb natu-
ralnych  N  w pewien niepusty zbiór  X.  Wartość 

 tej funkcji dla argumentu n  nazywamy n-tym wyra-

zem ciągu

  lub wyrazem ogólnym ciągu  i  oznaczamy przez 

. Ciąg zapisujemy krótko w postaci  

,  

lub podając kilka jego początkowych wyrazów: 

)

(n

f

a a

1

2

,

,

a

n

4

,

,..

)

(

n

a

a a

3

.

 Jeżeli zamiast zbioru  N  rozpatrywać pewien skończony podzbiór początkowych liczb naturalnych, to 
funkcję nazywamy ciągiem skończonym
 Ciąg, którego wyrazy są liczbami nazywamy ciągiem liczbowym
 
 

Ciąg określa się najczęściej definiując jego n-ty wyraz.   

 Przykład 1. 

 Wyznaczyć cztery początkowe wyrazy ciągu o wyrazie ogólnym a) 

1

2

n

n

a

n

,   b) 

Rozwiązanie. Podstawiając w każdym ze wzorów kolejno 

n

n

a

2

...

,

4

,

3

,

2

,

1

n

 dostajemy odpowiednio   

a) 

...

,

9

4

,

7

3

,

5

2

,

3

1

,   b) 

 

....

,

16

,

8

,

4

,

2

.

 
 Ciągi można również określać rekurencyjnie podając

 k jego początkowych wyrazów: 

  

oraz definiując wyraz 

w zależności od  

k wyrazów poprzednich. 

a a a

a

k

1

2

3

, , ,...,

,

1

,

 k

n

a

n

 
 Przykład 2. 

Wypisać następne trzy wyrazy ciągu określonego następująco:   a) 

n

a

a

a

n

n

1

1

,

2

 

dla   

,   b) 

 dla 

2

n

2

1

2

1

,

1

,

1

n

n

n

a

a

a

a

a

3

n

Rozwiązanie.  
a) Stosując dany wzór dla 

2

n

 mamy 

4

2

2

2

1

2

 a

a

, dla 

3

n

 dostajemy 

7

3

4

3

2

3

 a

a

,   

dla   otrzymujemy 

4

n

11

4

7

4

3

4

 a

a

. Ciąg ma więc postać: 

 

...

,

11

,

7

,

4

,

2

 

.

b) Postępując podobnie mamy 

2

1

1

1

2

3

a

a

a

,  

3

1

2

2

3

4

a

a

a

,  

5

2

3

3

4

5

a

a

a

Tak więc ciąg ma postać: 

 

...

,

5

,

3

,

2

1

 

.

,

1

,

 

Przykład 3.

 Wykazać, że każdy ciąg o wyrazie ogólnym postaci  

, gdzie  C  jest dowolną 

stałą, spełnia tzw. równanie rekurencyjne: 

n

C

a

n

n

2

3

2

4

3

1

n

a

a

n

n

Rozwiązanie. Mamy tutaj 

. Zatem 

 

)

1

(

2

3

1

1

n

C

a

n

n

n

C

n

C

a

a

n

n

n

n

6

3

3

)

1

(

2

3

3

1

1

2

4

6

3

3

2

2

3

3

n

n

C

n

C

n

n

 

Przykład 4.

 Wykazać, że ciąg o wyrazie ogólnym 

  spełnia równanie rekurencyjne: 

  z warunkiem początkowym 

n

n

n

a

2

)

3

(

2

4

n

n

n

a

a

2

5

3

1

1

a

 

Rozwiązanie. Ponieważ 

, to 

 

1

1

1

2

)

3

(

2

n

n

n

a

n

n

n

n

n

n

a

a

2

3

)

3

(

6

2

)

3

(

2

3

1

1

1

n

n

n

n

n

2

5

2

3

)

3

(

6

2

2

)

3

(

6

. Ponadto 

4

2

)

3

(

2

1

a

background image

Wykład 6. Ciągi i sumy. 

2

 

Ciąg  

 nazywamy rosnącym , jeżeli każdy następny wyraz ciągu jest większy od poprzedniego, tzn. 

  dla każdego 

. Jeżeli natomiast każdy następny wyraz ciągu jest mniejszy od poprzedniego, 

tzn. 

  dla każdego 

, to ciąg nazywamy malejącym .    

)

(

n

a

n

n

a

1

n

a

a

1

n

a

N

n

n

 N

 
Ciągi rosnące albo malejące obejmujemy wspólnym określeniem: ciągi (ściślemonotoniczne
 
  Uwaga. W praktyce badając monotoniczność ciągu warto badać różnicę  

n

n

a

a

1

. Jeżeli   

dla każdego 

, to ciąg jest rosnący, jeżeli natomiast 

0

1

n

n

a

a

N

n

0

1

n

n

a

a

 dla każdego 

, to ciąg jest male-

jący. 

N

n

  Przykład 5. Zbadać monotoniczność ciągu o wyrazie ogólnym 

3

2

2

3

n

n

a

n

Rozwiązanie.

 Mamy tutaj 

1

3(

1) 2

3

5

2(

1) 3

2

5

n

n

n

a

n

n

 

 

.  

Stąd  

)

3

2

)(

5

2

(

5

)

3

2

)(

5

2

(

)

5

2

)(

2

3

(

)

3

2

)(

5

3

(

3

2

2

3

5

2

5

3

1

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

a

a

n

n

Otrzymana różnica jest dodatnia przy każdym 

N

n

 . Tym samym ciąg jest rosnący. 

 

 
2. Ciąg arytmetyczny i ciąg geometryczny
 
 

 Ciąg liczbowy 

 nazywamy ciągiem arytmetycznym o różnicy r, jeżeli dla każdego 

)

(

n

a

n N

   spełniony 

jest warunek: 

r

a

n

a

n

1

   

Wyraz ogólny ciągu arytmetycznego o pierwszym wyrazie    i różnicy   wyraża się wzorem  

1

a

.

 

r

n

a

a

n

)

1

(

1

 Ciąg liczbowy 

 nazywamy ciągiem geometrycznym o ilorazie 

)

(

n

a

0

q

, jeżeli dla każdego  n N

  speł-

niony jest warunek: 

1

n

n

a

a

Wyraz ogólny ciągu geometrycznego o pierwszym wyrazie    o ilorazie q wyraża się wzorem  

1

a

1

1

n

n

q

a

a

.

 

q

 . 

   

 

 Przykład 6. 

Wyznaczyć wzór na wyraz ogólny ciągu: a) 

,   b) 

...

,

11

,

8

,

5

,

2

...

,

27

8

,

9

4

,

3

2

,

1

,    

c) 

...

,

32

9

,

16

7

,

8

5

,

4

3

 . 

Rozwiązanie. 
a)  Mamy tutaj 

3

...

3

4

2

3

1

2

a

a

a

a

a

a

. Dany ciąg jest ciągiem arytmetycznym o różnicy 

3

r

  

i  pierwszym wyrazie 

2

1

a

. Wyraz ogólny ciągu ma więc postać: 

1

3

3

)

1

(

2

n

n

a

n

b)  W tym przypadku 

3

2

...

3

4

2

3

1

2

a

a

a

a

a

a

. Oznacza to, że ciąg  jest ciągiem geometrycznym o ilorazie 

3

2

q

  i  pierwszym wyrazie 

1

1

a

. Wyraz ogólny jest więc postaci: 

1

)

3

2

(

n

n

a

background image

Wykład 6. Ciągi i sumy. 

3

c)  Wyraz ogólny ciągu można zapisać w postaci 

n

n

n

b

a

c

, gdzie 

n

 jest n-tym wyrazem ciągu arytmetycz-

nego o pierwszym wyrazie 

3

1

a

 i różnicy 2

r

n

 jest n-tym wyrazem ciągu geometrycznego o 

pierwszym wyrazie 

4

1

b

 i ilorazie 

2

q

. Stąd 

1

2

2

(

3

)

1

n

1

1

n

. Ostatecznie 

n

a

n

2

1

2

2

2

4

n

n

b

2

n

1

2

1

2

n

n

n

c

 
3. Zachowanie się wyrazów ciągu dla dużych n

 

 

Liczbę  g  nazywamy granicą ciągu  ( )  i piszemy 

a

n

lim

n

n

a

g



 , jeżeli w dowolnym otoczeniu tej liczby 

leżą wszystkie wyrazy ciągu, z wyjątkiem co najwyżej skończonej ich liczby (prawie wszystkie wyrazy cią-
gu). Interpretację granicy ciągu przedstawia rys.1. 

Ciąg posiadający granicę nazywamy ciągiem zbieżnym

 
 Uwaga. 

 

Jeżeli dla każdego 

0

 istnieje liczba naturalna 

,  taka że 

0

n

 g

a

n

 dla 

, to 

0

n

n

lim

n

n

a

g



 

Rys. 1

Tu leżą prawie wszystkie wyrazy ciągu

 g

1

a

2

a

3

a

4

a

0

n

a

g

g

 

 

Niektóre granice wykorzystywane w teorii ciągów 

 

Granice Przykłady 

Jeżeli jest stałą, to  lim c c

n



 .    

lim

, lim

, lim

0 0

1 1

2

2

n

n

n







 

Jeżeli

 k jest stałą dodatnią, to  lim

n

k

n



1

0 .     

lim

, lim

, lim

, lim

n

n

n

n

n

n

n

n









1

0

1

0

1

0

1

0

2

3

  

Jeżeli 

jest stałą z przedziału 

,  to

.  

(

; )

 1 1

0

lim

n

n

q

lim( )

, lim(

)

, lim( )

n

n

n

n

n

n







1
2

0

1
5

0

3

4

0

  

Jeżeli 

jest stałą dodatnią, to 

1

lim

n

n

a

.  

lim

, lim

, lim

n

n

n

n

n

n







2 1

5 1

2
5

1  

 

lim

n

n

n



 1 .            

e

n

n

n

)

1

1

(

lim

 
 
 Twierdzenie. 

 

Jeżeli 

b

b

a

a

n

n

n

n

lim

  

i

  

lim

,  to 

1. lim(

)

 

 

n

n

n

a

b

a



  b

,     

2. lim(

)

 

 

n

n

n

a b

a b



 

,    

0

 

 ,

dla

0

 

  

ile

o

 

 

=

lim

 .

3

b

N

n

b

b

a

b

a

n

n

n

n

 

Przykład 7.  

Obliczyć granice: a) 

n

n

n

2

2

lim

,   b) 

n

n

n

5

3

1

lim

2

,   c) 

n

n

n

n

4

)

1

(

lim

background image

Wykład 6. Ciągi i sumy. 

4

 

Rozwiązanie. 

a) 

2

1

1

2

lim

lim

2

lim

2

lim

2

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

.   b) 

0

0

9

0

)

5

3

(

9

)

5

1

(

lim

5

3

1

lim

]

[

2

n

n

n

n

n

n

c) 

4

4

4

]

)

1

1

[(

lim

)

1

(

lim

e

n

n

n

n

n

n

n

   
 Ciąg nazywamy rozbieżnym do plus nieskończoności   i piszemy 



n

n

a

lim

, jeżeli od dowolnej licz-

by M  większe są prawie wszystkie wyrazy ciągu (rys.2). 

 

  Uwaga. Jeżeli dla każdego  M  istnieje liczba naturalna 

, taka że 

 dla 

, to 

0

n

M

a

n

0

n

n



n

n

a

lim

Rys. 2

Tu leżą prawie wszystkie wyrazy ciągu

 M

1

a

2

a

3

a

4

a

0

n

a

 

Podobnie, ciąg nazywamy rozbieżnym do minus nieskończoności   i piszemy 

, jeżeli od do-

wolnej liczby M  mniejsze są prawie wszystkie wyrazy ciągu. 



n

n

a

lim

 
O ciągu rozbieżnym do plus lub minus nieskończoności mówimy, że ma granicę niewłaściwą 

 

 

Niektóre granice niewłaściwe w teorii ciągów  

 

Granice Przykłady 

Jeżeli  k  jest stałą dodatnią, to



k

n

n

lim









n

n

n

n

n

n

n

n

lim

,

lim

,

lim

,

lim

3

2

.

Jeżeli jest stałą większą od 1, to 



n

n

q

lim







n

n

n

n

n

n

)

2

(

lim

,

3

lim

,

2

lim

 
  Przytoczymy teraz pewne twierdzenia podające niektóre związki między granicami właściwymi i niewła-
ściwymi. 
 

  Twierdzenie. Jeżeli (

 jest ciągiem, dla którego 

)

a

n



n

n

a

lim

, to 

0

1

lim

n

n

a

 

  Uwaga. Twierdzenie to będziemy stosować w następującej postaci symbolicznej: 

0

1

]

[

  lub bardziej  

ogólnie 

0

]

[

a

  (a oznacza dowolną granicę właściwą,  

 - granicę niewłaściwą). 

 
  Twierdzenie. Jeżeli (

 jest ciągiem zbieżnym do granicy a, natomiast 

- ciągiem rozbieżnym do 

, to 

)

a

n

)

(

n

b



)

(

lim

)

(

lim

n

n

n

n

n

n

b

a

b

a



,

  Uwaga. Zapis powyższych warunków w postaci symbolicznej: 

,  



]

[

a



]

[

a

 

Inne twierdzenia zapisane w podobny sposób: 

,  

 



]

[



.

0

gdy

,

,

0

gdy

,

)

(

]

[

a

a

a

 

background image

Wykład 6. Ciągi i sumy. 

5

 

Następującym symbolom utworzonym w podobny sposób, jak w powyższych uwagach, nie moż-

na przypisać jednoznacznej wartości: 

]

[

]

[

]

[

]

[

]

[

]

[

]

[

0

0

,

0

,

1

,

,

0

,

0

0

,

Symbole te nazywamy nieoznaczonymi.

 

Uwaga.

 Jeżeli w trakcie obliczeń symbolicznych w rachunku granic wystąpią symbole nieoznaczone, to wy-

rażenie należy odpowiednio przekształcić, aby usunąć nieoznaczoność. 

 

  Przykład 8. Obliczyć granice: a) 

5

2

3

lim

n

n

n

,   b) 

5

2

4

6

lim

2

2

n

n

n

n

,   c) 

3

5

7

lim

2

n

n

n

,  

d)  

1

3

2

3

2

lim

n

n

n

n

,   e)  

1

2

5

2

lim

2

n

n

n

Rozwiązanie. We wszystkich tych przykładach przy próbie bezpośredniego obliczenia granicy otrzymujemy 

symbol nieoznaczony 

]

[

. W celu usunięcia nieoznaczoności wystarczy licznik i mianownik każdego 

z ułamków podzielić przez takie wyrażenie, które zadecydowało o rozbieżności danego mianownika. 

a) 

3

1

3

1

3

lim

5

2

3

lim

5

2

]

[

n

n

n

n

n

n

,   b) 

4

2

6

2

2

8

lim

5

2

2

4

8

lim

2

2

2

2

5

4

]

[

n

n

n

n

n

n

n

n

c)  

7

1

7

1

7

lim

1

5

7

lim

)

1

(

5

7

lim

3

5

7

lim

2

2

2

2

2

3

5

3

3

]

[

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

d) 

2

)

(

1

)

(

2

lim

1

3

2

3

2

lim

3

1

3

2

]

[

n

n

n

n

n

n

n

, e) 

4

)

(

1

4

lim

1

2

5

2

4

lim

1

2

5

2

lim

2

1

2

5

]

[

2

n

n

n

n

n

n

n

n

n

 
 

 

 

e

a

n

a

n

n

)

1

1

(

lim



n

n

a

lim

Jeżeli   jest dowolnym ciągiem takim, że 

)

(

n

a

, to 

  Przykład 9.  Obliczyć granice:   a) 

n

n

n

n

3

)

5

(

lim

,   b) 

n

n

n

n

4

)

2

3

(

lim

Rozwiązanie. 

a) 

15

15

5

5

3

3

)

1

1

(

lim

)

5

1

(

lim

)

5

(

lim

e

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n



background image

Wykład 6. Ciągi i sumy. 

6

 

b) 

4

8

12

8

2

2

12

3

3

4

4

4

1

1

1

1

lim

1

1

lim

lim

)

2

3

(

lim

2

3

2

3

e

e

e

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n













 

   

 

4. Sumy skończone 

 
 Niech 

będzie dany dowolny ciąg, którego wyrazy są liczbami (lub funkcjami liczbowymi). Sumę 

  wyrazów tego ciągu oznaczamy symbolem  

  i  czytamy: „suma 

 od 

n

a

a

a

a

...

3

2

1

n

k

k

a

1

k

a

1

k

  

do 

”.  

n

k

Litera  k  występująca w symbolu 

 nazywa się wskaźnikiem sumacyjnym lub wskaźnikiem bieżącym.  

n

k

k

a

1

 Uwaga. 

Aby obliczyć wartość sumy 

  dla jakiejkolwiek wartości  n  należy zamiast wskaźnika su-

macyjnego podstawić kolejno 

  i obliczyć sumę powstałych w ten sposób wyrazów 

n

k

k

a

1

n

...,

,

3

,

2

,

1

n

a

a

a

a

...,

,

,

,

3

2

1

 

 Przykład 10.  

Obliczyć sumy:     a) 

,        b) 

5

1

2

k

k

4

1

2

1

k

k

,  c) 

,   d) 

6

1

)

1

3

(

k

k

5

1

2

k

k

k

Rozwiązanie. 

a) 

55

25

,    

16

9

4

1

5

4

3

2

1

2

2

2

2

2

5

1

2

k

k

b) 

20

19

57  , 

60

60

10

12

15

20

6

1

5

1

4

1

3

1

2

1

4

1

k

k

c) 

57

17

,   

6

1

14

11

8

5

2

)

1

3

(

k

k

d) 

32

57

5 

32

8

12

16

16

32

5

16

4

8

3

4

2

2

1

2

5

1

k

k

k

 

 Uwaga. 

Wybór litery oznaczającej wskaźnik sumacyjny nie jest istotny.  Symbole 

,  

 ozna-

czają to samo. Na przykład  

n

k

k

a

1

n

j

j

a

1

21

6

5

4

3

2

1

6

1

6

1

j

k

j

k

 

 

Jeżeli (

)  jest ciągiem arytmetycznym, to suma n początkowych wyrazów tego ciągu wyraża się 

wzorem:  

a

n

n

a

a

n

2

1

.

 

S

n

background image

Wykład 6. Ciągi i sumy. 

7

  Przykład 11. Sumę 122

...

10

6

2

 zapisać używając symbolu 

, a następnie obliczyć wartość 

tej sumy. 
Rozwiązanie. Jest to suma wyrazów ciągu arytmetycznego, dla którego 

4

,

2

1

r

a

. Wyraz ogólny ciągu 

ma więc postać: 2

4

4

)

1

(

2

n

n

a

n

. Ponieważ 31

122

2

4

n

n

, to dana suma zawiera 31 wy-

razów. Mamy zatem 

1922

31

2

122

2

31

2

)

2

4

(

31

1

31

1

a

a

k

122

...

10

6

2

k

 

 

 

Jeżeli (

)  jest ciągiem geometrycznym o pierwszym wyrazie   i  ilorazie q, to suma n początko-

wych wyrazów tego ciągu wyraża się wzorem: 

a

n

1

a

1

1

gdy

1,

1

gdy

1.

1

n

n

na

q

S

q

a

q

q

 

 

  Przykład 12. Sumę 

1024

1

...

4

1

2

1

1

2

 zapisać używając symbolu 

, a następnie obliczyć war-

tość tej sumy. 

Rozwiązanie. Jest to suma wyrazów ciągu geometrycznego, w którym 

2

1

,

2

1

q

a

. Wyraz ogólny ciągu 

ma więc postać: 

2

1

)

2

1

(

)

2

1

(

2

n

n

n

a

. Ponieważ 

12

)

2

1

(

1024

1

2

n

n

, to dana suma zawiera 12 wy-

razów. Tym samym 

1024

4095

)

4096

1

1

(

4

1

)

(

1

2

1

1

)

2

1

(

1024

1

...

4

1

2

1

1

2

2

1

2

1

12

12

1

1

2

k

n

k

q

q

a

   

  W analogiczny sposób jak sumy 

 określamy sumy ogólniejsze: 

 ,  

n

k

k

a

1

q

p

p

p

q

p

k

k

a

a

a

a

a

...

2

1

gdzie  p  jest  dowolną liczbą całkowitą, q - liczbą całkowitą nie mniejszą  niż  p.  
 
   

Przykład 13. 

Obliczyć sumy:   a) 

,   b) 

3

2

)

1

(

k

k

8

4

3

1

k

k

,  c) 

4

0

1

1

2

k

k

k

Rozwiązanie.  a) 

,   b) 

9

4

3

2

1

0

1

)

1

(

3

2

k

k

60

137

5

1

4

1

3

1

2

1

1

3

1

8

4

k

k

c) 

60

463

5

9

4

7

3

5

2

3

1

1

1

2

4

0

k

k

k

. 

 

   

Własności sum skończonych 

 

Dla dowolnych liczb całkowitych  n, p, q  takich, że  p q n

   oraz dowolnej liczby c zachodzą wzory: 

1. 

 

     

2. 

.          3. 

k

a

n

p

k

k

n

p

k

k

a

c

ca

n

p

k

k

n

p

k

n

p

k

k

k

k

b

a

b

a

)

(

1

q

n

n

k

k

k p

k p

k q

a

a

 

background image

Wykład 6. Ciągi i sumy. 

8

 

5. Szeregi (sumy nieskończone) 

 

 Sumę postaci 

 

   nazywamy szeregiem o wyrazie ogólnym 

a

...

...

3

2

1

1

n

n

n

a

a

a

a

a

n

 Jeżeli suma ta jest liczbą skończoną, to szereg nazywamy zbieżnym , w przeciwnym wypadku szereg na-
zywamy rozbieżnym
 
 Uwaga. 

Aby wyznaczyć sumę szeregu należy obliczyć najpierw tzw. sumę częściową

 ,  a następnie obliczyć granicę 

lim

 . 

n

k

k

n

n

a

a

a

a

a

S

1

3

2

1

...

n

n

S



 

 Przykład 14.

 Zbadać zbieżność szeregu   

...

)

1

(

1

...

12

1

6

1

2

1

)

1

(

1

1

n

n

n

n

n

 . 

Rozwiązanie

. Obliczmy najpierw sumę częściową  

n

k

n

k

k

S

1

)

1

(

1

.  Ponieważ 

1

1

1

)

1

(

1

k

k

k

k

, to   

S

k

k

n

k

n

(

)

1

1

1

1

 

1

1

1

)

1

1

1

(

)

1

1

1

(

...

)

4

1

3

1

(

)

3

1

2

1

(

)

2

1

1

(

n

n

n

n

n

  (Wynik ten uzyskujemy po opuszczeniu nawiasów i wykonaniu redukcji wyrazów).  

Mamy zatem  

1

)

1

1

1

(

lim

lim

n

S

n

n

n

.   Badany szereg jest zbieżny i jego suma jest równa 

1

S

   

Szereg postaci: 

 nazywamy  szeregiem  geometrycz-

nym

 o ilorazie q  i początkowym wyrazie 

...

...

1

1

3

1

2

1

1

1

1

1

1

n

n

n

q

a

q

a

q

a

q

a

a

q

a

0

1

a

.  

 

 

  Szereg geometryczny  

 jest zbieżny wtedy i tylko wtedy, gdy 

1

1

1

n

n

q

a

1

1

q

.  

q

a

S

1

1

Jego suma jest wtedy równa 

 
    Przykład 17. Który z podanych szeregów geometrycznych jest zbieżny? Obliczyć jego sumę. 

a) 

1

)

3

1

(

4

n

n

,   b) 

1

)

2

(

n

n

,   c) 

1

)

5

2

(

5

n

n

Rozwiązanie. a) Jest to szereg geometryczny o ilorazie 

3

1

q

. Szereg jest więc zbieżny. Ponieważ   

3

4

1

a

to  

q

S

1

1

a

3

2

3

4

3

1

1

3

4

2

q

2

 .  b) Szereg jest rozbieżny, ponieważ jego iloraz 

c) Iloraz szeregu jest równy 

5

q

2

.  Szereg jest zbieżny i jego suma wynosi 

7

10

2

1

2

1

5

7

5

2

1

q

a

S

.